2025 DSE 化學 模擬試題 | Past Paper 練習

以下哪些反應途徑可用於將丙-1-醇轉化為丙-2-醇？

(1) 將丙-1-醇與濃 \(\text{H}_2\text{SO}_4\) 在 \(170^\circ\text{C}\) 共熱，然後在高温高壓及 \(\text{H}_3\text{PO}_4\) 催化劑存在下將產物與 \(\text{H}_2\text{O(g)}\) 反應。
(2) 將丙-1-醇與酸化 \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\text{(aq)}\) 共熱，然後將產物與 \(\text{NaBH}_4\) 反應。
(3) 將丙-1-醇與濃 \(\text{H}_2\text{SO}_4\) 在 \(170^\circ\text{C}\) 共熱，將產物與 \(\text{HBr(g)}\) 反應，然後將所得化合物與 \(\text{NaOH(aq)}\) 共熱。

乙烯 \(\text{C}_2\text{H}_4\text{(g)}\) 和乙醇 \(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH(l)}\) 的標準燃燒焓變（\(\Delta H_c^\theta\)）分別為 \(-1411 \text{ kJ mol}^{-1}\) 和 \(-1367 \text{ kJ mol}^{-1}\)。以下反應的標準反應焓變是多少？

\(\text{C}_2\text{H}_4\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{OH(l)}\)

二氟化氙 (\(\text{XeF}_2\)) 與水反應生成氙氣、氧氣和氫氟酸。在此反應的平衡化學方程式中，已反應的 \(\text{XeF}_2\) 與生成的 \(\text{O}_2\) 的摩爾比是多少？

關於化學反應的活化能 (\(E_a\)) 和速率常數 (\(k\))，下列哪些敘述是正確的？

(1) 在任何給定温度下，活化能較高的反應之速率常數必定小於活化能較低的反應之速率常數。
(2) 當温度升高時，反應的活化能會降低。
(3) \(\ln k\) 對 \(\frac{1}{T}\)（其中 \(T\) 以開爾文為單位）的作圖為一條直線，其斜率等於 \(-\frac{E_a}{R}\)。

某有機化合物 \(X\) 的分子式為 \(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}\)。\(X\) 的紅外 (IR) 光譜在約 \(3300\text{ cm}^{-1}\) 處顯示強而寬的吸收帶，並在約 \(1640\text{ cm}^{-1}\) 處顯示尖銳的吸收帶。以下哪項最可能是 \(X\) 的結構？

在某温度 \(T\) 下，將 \(1.00\text{ mol}\) 的 \(\text{PCl}_5\text{(g)}\) 放入一個 \(2.00\text{ dm}^3\) 的真空密封容器中。該氣體按以下方程式分解：

\(\text{PCl}_5\text{(g)} \rightleftharpoons \text{PCl}_3\text{(g)} + \text{Cl}_2\text{(g)}\)

當系統達到化學平衡時，容器內含有 \(0.40\text{ mol}\) 的 \(\text{Cl}_2\text{(g)}\)。在温度 \(T\) 下，該反應的平衡常數 \(K_c\) 是多少？

關於過渡金屬和 d 區元素的下列敘述，哪些是正確的？

(1) 鋅不被歸類為過渡金屬，因為其原子和其穩定離子均沒有不完整的 d 子殼層。
(2) 過渡金屬配合物通常具有顏色，這是因為分裂的 d 軌道之間發生了電子躍遷。
(3) Fe(II) 離子在 \(\text{S}_2\text{O}_8^{2-}\) 與 \(\text{I}^-\) 的氧化還原反應中可用作催化劑，因為鐵極易在 +2 和 +3 氧化態之間轉換。

下列哪種化合物可顯示對映異構（即具有手性異構體）？

下列哪一對物種具有相同的分子形狀？

下列哪種化合物的沸點最高？

已知以下標準燃燒焓變：
\(\Delta H_c^\theta [C_2H_2(g)] = -1300\text{ kJ mol}^{-1}\)
\(\Delta H_c^\theta [C_6H_6(l)] = -3268\text{ kJ mol}^{-1}\)

下列反應的標準焓變是多少？
\(3C_2H_2(g) \rightarrow C_6H_6(l)\)

某有機化合物 \(X\) 的分子式為 \(C_4H_8O\)。它不與多倫試劑（Tollens' reagent）反應，但可被 \(LiAlH_4\) 還原以生成醇 \(Y\)。下列有關 \(Y\) 的陳述，哪項/些是正確的？

(1) \(Y\) 可被脫水以生成丁-1-烯和丁-2-烯的混合物。
(2) \(Y\) 含有一個手性碳原子。
(3) \(Y\) 可被酸化的 \(K_2Cr_2O_7(aq)\) 氧化以生成羧酸。

在恆溫下，考慮以下密閉容器中的平衡體系：

\(N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g) \quad \Delta H > 0\)

若在恆溫下突然將容器的體積減半，下列哪項描述了隨後 \(NO_2(g)\) 濃度的變化？

在下列哪些反應中，硫同時發生氧化和還原（歧化反應）？

(1) \(3S + 6KOH \rightarrow 2K_2S + K_2SO_3 + 3H_2O\)
(2) \(SO_2 + 2H_2S \rightarrow 3S + 2H_2O\)
(3) \(S_2O_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow S + SO_2 + H_2O\)

對於某反應，在不同溫度下測得速率常數 \(k\)。繪製 \(\ln k\) 對 \(\frac{1}{T}\)（其中 \(T\) 以開爾文為單位）的圖像，得到一條斜率為 \(-1.20 \times 10^4\text{ K\)} 的直線。

該反應的活化能（\(E_a\)）是多少？
（已知：氣體常數 \(R = 8.314\text{ J mol}^{-1}\text{ K}^{-1}\)）

下列哪一對物種具有相同的分子形狀？

某有機化合物的分子式為 \(C_3H_6O_2\)。其紅外（IR）光譜在約 \(1740\text{ cm}^{-1}\) 處顯示強吸收峰，但在 \(2500 - 3300\text{ cm}^{-1}\) 區域內沒有寬吸收峰。該化合物可以是下列哪項/些？

(1) 丙酸
(2) 乙酸甲酯
(3) 甲酸乙酯

在用於純化銅的工業電解槽中，粗銅陽極經精煉在陰極產生純銅。下列關於該過程的陳述哪項是正確的？

在 \(25^\circ\text{C}\) 下，兩個燒杯分別含有 \(0.10\text{ mol dm}^{-3}\) 的鹽酸 (HCl) 和 \(0.10\text{ mol dm}^{-3}\) 的乙酸 (\(CH_3COOH\))。下列哪項/些性質對兩種溶液而言是相同的？

(1) 完全中和 \(25.0\text{ cm}^3\) 的每種酸所需 \(0.10\text{ mol dm}^{-3}\text{ NaOH}(aq)\) 的體積。
(2) 溶液的導電性。
(3) 加入過量鎂條時反應的初始速率。

分子式為 \(C_4H_7Br\) 的無環化合物共有多少個結構異構體（不包括立體異構體）？

考慮以下於 \(298\text{ K}\) 下的標準燃燒焓變 (\(\Delta H_c^\theta\))：
\(\Delta H_c^\theta [C_2H_4(g)] = -1411\text{ kJ mol}^{-1}\)
\(\Delta H_c^\theta [H_2(g)] = -286\text{ kJ mol}^{-1}\)
\(\Delta H_c^\theta [C_2H_6(g)] = -1560\text{ kJ mol}^{-1}\)

求以下反應的標準焓變：
\(C_2H_4(g) + H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g)\)

分子式為 \(C_8H_{16}O_2\) 的有機化合物 \(X\) 在酸催化水解下生成兩種有機產物 \(Y\) 和 \(Z\)。在適當條件下，\(Y\) 可被酸化重鉻酸鉀(VI)溶液氧化，生成一種與 \(Z\) 互為構造異構體的羧酸。下列哪項可能是 \(X\) 的系統名稱？

考慮在溫度 \(T\) 下，於體積為 \(V\) 的密閉容器中建立的以下平衡體系：
\(2NO_2(g) \rightleftharpoons N_2O_4(g) \quad \Delta H < 0\)
（\(NO_2\) 為啡色氣體；\(N_2O_4\) 為無色氣體）

下列哪些敘述是正確的？
(1) 若在溫度 \(T\) 下將容器體積縮小至 \(0.5V\)，混合物的啡色會先加深，然後稍微變淺，但仍比改變前深。
(2) 若在恆溫及恆容下向容器中注入氦氣，平衡會向左移動。
(3) 若在恆容下升高體系溫度，平衡常數 \(K_c\) 會增加。

當以下化學方程式被配平至最簡整數時，\(z\) 的值是多少？
\(x I^-(aq) + y NO_2^-(aq) + z H^+(aq) \rightarrow a I_2(aq) + b NO(g) + c H_2O(l)\)

下列哪些組合的化學物種具有相同的分子形狀？
(1) \(NH_4^+\) 與 \(CH_4\)
(2) \(H_3O^+\) 與 \(NH_3\)
(3) \(BF_3\) 與 \(NF_3\)

聚合物 \(P\) 的重複單位如下圖所示：
\(-[ \text{NH}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{NH}-\text{CO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CO} ]_n-\)

下列關於 \(P\) 的敘述哪些是正確的？
(1) 它是一種聚酰胺。
(2) 它的單體是乙二胺（ethane-1,2-diamine）和丁二酸（butanedioic acid）。
(3) 它可透過與氫氧化鈉水溶液共熱而水解。

在一個體積為 \(5.0\text{ dm}^3\) 的密閉容器中，將 \(1.0\text{ mol}\) 的氣體 \(P\) 和 \(1.0\text{ mol}\) 的氣體 \(Q\) 混合，並在溫度 \(T\) 下達到平衡：
\(P(g) + Q(g) \rightleftharpoons 2R(g)\)
在平衡時，容器內有 \(1.2\text{ mol}\) 的氣體 \(R\)。求該反應在此溫度下的平衡常數 \(K_c\)。

對於某化學反應，當溫度由 \(300\text{ K}\) 升高至 \(310\text{ K}\) 時，速率常數增加一倍。求該反應的活化能 (\(E_a\))。
（已知：氣體常數 \(R = 8.31\text{ J K}^{-1}\text{ mol}^{-1}\)）

下列哪些方法可用於區別丙酸和乙酸甲酯？
(1) 比較它們的紅外（IR）光譜。
(2) 分別向兩者加入碳酸氫鈉溶液。
(3) 將兩者分別與酸化重鉻酸鉀(VI)溶液共熱。

考慮在相同的恆定電流下運行 10 分鐘的以下兩個電解裝置：
裝置 X：使用碳電極電解 \(1.0\text{ M } CuSO_4(aq)\)。
裝置 Y：使用銅電極電解 \(1.0\text{ M } CuSO_4(aq)\)。

下列哪些敘述是正確的？
(1) 裝置 X 陰極上析出的銅質量與裝置 Y 相同。
(2) 裝置 X 的電解質 pH 值會下降，而裝置 Y 的電解質 pH 值保持不變。
(3) 在裝置 Y 的陽極觀察到氣泡，而在裝置 X 的陽極則沒有。

考慮以下化學方程式：\(2\text{N}_2\text{O}(g) + \text{N}_2\text{H}_4(l) \rightarrow 3\text{N}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l)\)。已知下列標準生成焓（\(\Delta H_f^\theta\))：\(\Delta H_f^\theta[\text{N}_2\text{O}(g)] = +82\text{ kJ mol}^{-1}\)，\(\Delta H_f^\theta[\text{N}_2\text{H}_4(l)] = +51\text{ kJ mol}^{-1}\)，\(\Delta H_f^\theta[\text{H}_2\text{O}(l)] = -286\text{ kJ mol}^{-1}\)。該反應的標準焓變是多少？

在酸性介質中，需要多少摩爾的高錳酸鉀（\(\text{KMnO}_4\)) 才能完全氧化 1.0 摩爾的草酸鐵(II)（\(\text{FeC}_2\text{O}_4\))？

下列哪組反應程序可用於將丙-1-醇轉化為丙-2-醇？

對於某反應，當溫度從 300 K 升高至 310 K 時，速率常數 \(k\) 加倍。下列哪些陳述是正確的？
（已知：\(R = 8.314\text{ J mol}^{-1}\text{ K}^{-1}\)）
(1) 該反應的活化能約為 \(54\text{ kJ mol}^{-1}\)。
(2) 若在 300 K 下加入催化劑，活化能會降低，且速率常數會增加。
(3) 該反應中 \(\ln k\) 對 \(\frac{1}{T}\) 的繪圖具有正斜率。

某有機化合物 \(X\) 的分子式為 \(\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2\)。\(X\) 的紅外光譜在 \(2500 - 3300\text{ cm}^{-1}\) 區域顯示一個非常寬的吸收帶，並在 \(1715\text{ cm}^{-1}\) 處顯示一個強吸收峰。\(X\) 的質譜顯示在 \(m/z = 45\) 處有一個顯著的峰。下列哪項最可能是 \(X\) 的結構式？

將 2.0 摩爾的 \(\text{A}(g)\) 和 3.0 摩爾的 \(\text{B}(g)\) 混合於一個密閉的 \(2.0\text{ dm}^3\) 容器中，進行以下反應：\(\text{A}(g) + 2\text{B}(g) \rightleftharpoons 2\text{C}(g)\)。當達到平衡時，\(\text{C}(g)\) 的濃度被測得為 \(1.0\text{ mol dm}^{-3}\)。在該溫度下，此反應的平衡常數 \(K_c\) 是多少？

進行了一項實驗以測定丙-2-醇 (\(\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3\)) 的標準生成焓。\n已知在 \(298\text{ K}\) 下的標準燃燒焓 (\(\Delta H_c^\ominus\))：\n\(\text{C(石墨)} = -393.5 \text{ kJ mol}^{-1}\)\n\(\text{H}_2\text{(g)} = -285.8 \text{ kJ mol}^{-1}\)\n\(\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3\text{(l)} = -2006.0 \text{ kJ mol}^{-1}\)\n\n(a) 寫出表示丙-2-醇標準生成焓反應的平衡化學方程式。(1分)\n(b) 構建一個赫斯定律循環，並計算丙-2-醇的標準生成焓。(3分)\n(c) 試解釋為什麼不能通過簡單的量熱實驗直接測定丙-2-醇的標準生成焓。(2.14分)

概述一條以丙烯和乙醇為原料製備乙酸丙-2-酯的合成路線。你可以使用任何所需的無機試劑。(6.14分)

考慮在溫度 \(T\) 下的以下可逆反應：\n\(\text{CO(g)} + 2\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{OH(g)} \quad \Delta H < 0\)\n\n在此溫度下，將 \(1.00\text{ mol}\) 的 \(\text{CO(g)}\) 和 \(2.00\text{ mol}\) 的 \(\text{H}_2\text{(g)}\) 注入一個 \(5.0\text{ dm}^3\) 的密封容器中。當系統達到平衡時，測得容器中含有 \(0.40\text{ mol}\) 的 \(\text{CH}_3\text{OH(g)}\)。\n\n(a) 計算在溫度 \(T\) 下該反應的平衡常數 \(K_c\)，並寫出其單位。(4分)\n(b) 預測並解釋若在恆溫下將容器體積縮小至 \(2.5\text{ dm}^3\)，對平衡位置的影響。(2.14分)

對於水溶液反應：\(\text{A(aq)} + \text{B(aq)} \rightarrow \text{C(aq)}\)，測得其速率方程為：\n\n\(\text{速率} = k[\text{A(aq)}][\text{B(aq)}]^2\)\n\n(a) 推導出該反應的總反應級數。(1分)\n(b) 在一系列實驗中，當 \([\text{A(aq)}] = 0.10 \text{ mol dm}^{-3}\) 且 \([\text{B(aq)}] = 0.20 \text{ mol dm}^{-3}\) 時，測得反應的初始速率為 \(4.0 \times 10^{-4} \text{ mol dm}^{-3} \text{s}^{-1}\)。計算該反應的速率常數 \(k\) 並指出其單位。(2.14分)\n(c) 指出並解釋當反應混合物的溫度升高時，速率常數 \(k\) 的值會如何變化。(3分)

某未知有機化合物 \(X\) 的分子式為 \(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}\)。\n\n(a) \(X\) 的紅外線 (IR) 光譜在約 \(1715\text{ cm}^{-1}\) 處顯示出一個強而尖銳的吸收峰，但在 \(3230 - 3670\text{ cm}^{-1}\) 區域內沒有任何寬闊的吸收峰。\n(i) 根據此紅外光譜數據，確定 \(X\) 中存在的官能基。(1分)\n(ii) 若 \(X\) 不與多倫試劑反應，推導出 \(X\) 的結構式和系統名稱。(2分)\n\n(b) 化合物 \(Y\) 是 \(X\) 的異構體。\(Y\) 的紅外光譜在 \(3230 - 3670\text{ cm}^{-1}\) 區域顯示出一個寬峰，且在約 \(1640\text{ cm}^{-1}\) 處顯示出一個尖峰。\n(i) 推導出 \(Y\) 中存在的 兩 個官能基。(2分)\n(ii) 提出一個化學測試以區分 \(X\) 和 \(Y\)，並寫出這兩種化合物預期的觀察結果。(1.14分)

使用浸入 \(1.0 \text{ M } \text{CuSO}_4\text{(aq)}\) 溶液中的兩個銅電極構建一個電解池。將 \(1.50 \text{ A}\) 的恆定電流通過該電解池 \(40.0 \text{ 分鐘}\)。\n\n(a) 指出陽極的觀察結果，並寫出在陽極發生反應的半化學方程式。(2分)\n(b) 計算在電解過程中陽極質量的理論變化值。(3分)\n（已知：法拉第常數，\(F = 96500 \text{ C mol}^{-1}\)；相對原子質量：\(\text{Cu} = 63.5\)）\n(c) 解釋為什麼 \(\text{CuSO}_4\text{(aq)}\) 溶液的藍色在整個電解過程中保持不變。(1.14分)

丁-2-烯-1,4-二酸具有立體異構現象。\n\n(a) 畫出丁-2-烯-1,4-二酸的 *順式* 和 *反式* 異構體的結構。(2分)\n(b) 指出這兩種異構體所屬的立體異構類型，並解釋為什麼該化合物會存在這種類型的異構體。(2.14分)\n(c) 其中一種異構體在加熱時可發生分子內脫水形成環狀酸酐，而另一種則不能。確定哪種異構體會發生該反應並解釋原因。(2分)

過渡金屬及其化合物在工業過程中被廣泛用作催化劑。\n\n(a) 寫出過渡金屬除催化活性外的 兩 個特徵化學性質。(2分)\n(b) 在製造硫酸的接觸法中，二氧化硫被氧化為三氧化硫：\n\n\(2\text{SO}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{SO}_3\text{(g)}\)\n\n(i) 指出該過程中所使用的催化劑。(1分)\n(ii) 從活化能的角度，解釋催化劑如何提高該反應的速率。(1.14分)\n(iii) 指出該催化劑是均相催化劑還是多相催化劑，並解釋你的答案。(2分)

某學生測定了蛋殼樣本中碳酸鈣 (\(\text{CaCO}_3\)) 的含量。\n\n將 \(1.50 \text{ g}\) 壓碎的蛋殼樣本與 \(50.0 \text{ cm}^3\) 的 \(1.00 \text{ M } \text{HCl(aq)}\) 反應。反應完全後，將混合物過濾，並將濾液在容量瓶中用去離子水稀釋至 \(250.0 \text{ cm}^3\)。\n\n然後，取出 \(25.0 \text{ cm}^3\) 的稀釋溶液進行滴定，需要 \(26.00 \text{ cm}^3\) 的 \(0.100 \text{ M } \text{NaOH(aq)}\) 進行完全中和。\n\n(a) 寫出 \(\text{CaCO}_3\) 與 \(\text{HCl}\) 反應的化學方程式。(1分)\n(b) 計算與蛋殼樣本中的 \(\text{CaCO}_3\) 發生反應的 \(\text{HCl}\) 的摩爾數。(3.14分)\n(c) 計算蛋殼樣本中 \(\text{CaCO}_3\) 的質量百分比。(2分)\n（相對原子質量：\(\text{C} = 12.0\)，\(\text{O} = 16.0\)，\(\text{Ca} = 40.1\)）

考慮以下兩種分子：三氟化硼 (\(\text{BF}_3\)) 和三氟化氮 (\(\text{NF}_3\))。\n\n(a) 畫出 \(\text{BF}_3\) 和 \(\text{NF}_3\) 的電子點結構（路易斯結構），僅顯示價電子。(2分)\n(b) 預測每種分子的形狀並指出其鍵角。(2.14分)\n(c) 解釋為什麼儘管兩者都含有極性極強的鍵，\(\text{BF}_3\) 是非極性分子，而 \(\text{NF}_3\) 卻是極性分子。(2分)

乙烯是化學工業中重要的原料。\n\n(a) 指出從石油重餾分中獲取乙烯的工業過程名稱。(1分)\n(b) 乙烯可進行聚合反應以形成聚乙烯。\n(i) 指出所涉及的聚合反應類型。(1分)\n(ii) 畫出聚乙烯重複單位的結構式。(1分)\n(c) 從分子結構的角度，解釋低密度聚乙烯 (LDPE) 與高密度聚乙烯 (HDPE) 在物理性質（密度和柔軟度）上的差異。(3.14分)

酸雨是燃燒化石燃料釋放的污染物所引起的一項嚴重環境問題。\n\n(a) 確定導致酸雨形成的主要氣態污染物，並寫出一條平衡化學方程式以說明其如何在太氣中形成酸性溶液。(2分)\n(b) 描述酸雨對環境的 一 個危害。(1分)\n(c) 為了減少燃煤發電廠中該污染物的排放，使用了稱為「煙氣脫硫」的工藝。在該工藝中，煙氣與碳酸鈣 (\(\text{CaCO}_3\)) 和氧氣反應生成硫酸鈣 (\(\text{CaSO}_4\))。\n(i) 寫出該脫硫反應的平衡化學方程式。(1.14分)\n(ii) 試解釋為什麼所生產的硫酸鈣被視為一種有用的副產物。(2分)

標準燃燒焓變可用於測定難以直接測量的焓變。

(a) 定義「標準燃燒焓變」一詞。

(b) 已知在 \(298\text{ K}\) 及 \(1\text{ atm}\) 下的標準燃燒焓變值如下：
- \(\Delta H_c^\theta [\text{C(石墨)}] = -394\text{ kJ mol}^{-1}\)
- \(\Delta H_c^\theta [\text{H}_2(g)] = -286\text{ kJ mol}^{-1}\)
- \(\Delta H_c^\theta [\text{CH}_3\text{COOH}(l)] = -874\text{ kJ mol}^{-1}\)

計算液態乙酸 (\(\text{CH}_3\text{COOH}(l)\)) 的標準生成焓變。

(c) 解釋為什麼不能通過簡單的量熱法實驗直接測定乙酸的標準生成焓變。

考慮以下在 \(350\text{ K}\) 下，於一個 \(2.0\text{ dm}^3\) 的密閉容器內建立的動態平衡：

\(\text{N}_2\text{O}_4(g) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(g)\)

起初，將 \(0.80\text{ mol}\) 的 \(\text{N}_2\text{O}_4(g)\) 注入容器中。平衡時，測得 \(\text{NO}_2(g)\) 的濃度為 \(0.30\text{ mol dm}^{-3}\)。

(a) 寫出該反應的平衡常數 \(K_c\) 的表達式，並指出其單位。

(b) 計算平衡時 \(\text{N}_2\text{O}_4(g)\) 的濃度，並求在 \(350\text{ K}\) 下 \(K_c\) 的值。

(c) 解釋若在恆溫下，將容器的體積縮小至 \(1.0\text{ dm}^3\)，平衡位置會如何移動。

直接甲醇燃料電池 (DMFC) 是一種在酸性條件下，以液態甲醇 (\(\text{CH}_3\text{OH}\)) 作燃料、氧氣作氧化劑的電化學電池。其整體反應方程式如下：

\(\text{CH}_3\text{OH}(l) + \frac{3}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l)\)

(a) 確定碳在 \(\text{CH}_3\text{OH}\) 和 \(\text{CO}_2\) 中的氧化數，並指出碳氧化數的變化。

(b) 寫出在酸性條件下，該燃料電池陽極（負極）發生反應的半方程式。

(c) 舉出使用直接甲醇燃料電池代替氫氧燃料電池的一個優點和一個缺點。

考慮以下有機化合物的合成路線：

\(\text{CH}_3\text{CH}=\text{CHCH}_3 \xrightarrow{步驟 1} \text{CH}_3\text{CH(Cl)CH}_2\text{CH}_3 \xrightarrow{步驟 2} \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3 \xrightarrow{步驟 3} 化合物 X\)

(a) 指出步驟 1 中的反應類型。

(b) 寫出步驟 2 所需的試劑和反應條件。

(c) 畫出化合物 X 的結構式，並指出在步驟 3 中使用酸化重鉻酸鉀溶液時，反應混合物的預期顏色變化。

(d) 建議一種物理方法，從步驟 3 後的反應混合物中分離出化合物 X。

(a) 甲醇 (\(\text{CH}_3\text{OH}\)) 是一種重要的工業化學品及溶劑。以下反應的速率常數 \(k\)：
\[ \text{CO(g)} + 2\text{H}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{OH(g)} \]
在兩個不同溫度下進行了測定：
在 \( 500 \text{ K} \) 時，\( k_1 = 2.5 \times 10^{-3} \text{ dm}^6\text{ mol}^{-2}\text{ s}^{-1} \)。
在 \( 550 \text{ K} \) 時，\( k_2 = 1.2 \times 10^{-2} \text{ dm}^6\text{ mol}^{-2}\text{ s}^{-1} \)。

(i) 計算此反應的活化能 (\(E_a\))，以 \(\text{kJ mol}^{-1}\) 為單位。
(ii) 推導此反應的總反應級數。解釋你的答案。
(iii) 繪製在 \( 500 \text{ K} \) 和 \( 550 \text{ K} \) 下反應物分子的麥克斯韋-玻爾茲曼分佈曲線。標記活化能 \(E_a\)，並解釋該曲線如何說明溫度對反應速率的影響。


(b) 在工業上，利用合成氣合成甲醇是一個可逆反應：
\[ \text{CO(g)} + 2\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{OH(g)} \quad \Delta H = -90.8 \text{ kJ mol}^{-1} \]
該反應通常在 \( 250^\circ\text{C} \)、\( 50-100 \text{ atm} \) 的壓力以及銅-氧化鋅催化劑存在下進行。

(i) 從反應速率和平衡產率的角度，解釋為什麼在此過程中要使用 \( 50-100 \text{ atm} \) 的高壓，而不是常壓。
(ii) 解釋為什麼 \( 250^\circ\text{C} \) 被認為是該反應的折衷溫度。
(iii) 比較銅-氧化鋅催化劑對反應速率和平衡位置的影響。


(c) 甲醇也可以通過直接加氫還原從工業廢氣中捕集的二氧化碳來合成：
反應 A：\[ \text{CO}_2\text{(g)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{OH(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
將其與標準的合成氣反應進行比較：
反應 B：\[ \text{CO(g)} + 2\text{H}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{OH(g)} \]

(i) 計算反應 A 和反應 B 製造甲醇的原子經濟。 (相對原子質量：\(\text{H} = 1.0, \text{C} = 12.0, \text{O} = 16.0\))
(ii) 綜合考慮原子經濟和環境可持續性，討論這兩條反應路徑中哪一條更綠色。

(a) 某有機化合物 $X$ (分子式為 $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}$) 已知為丙-1-醇、丙醛或丙酮其中之一。

(i) $X$ 的紅外線 (IR) 光譜在約 $1715\text{ cm}^{-1}$ 處顯示一強吸收峰，但在 $3200 - 3600\text{ cm}^{-1}$ 區域內沒有寬闊的吸收峰。解釋如何利用這些紅外光譜特徵排除這三種可能性中的其中一種。
(2 分)

(ii) 描述一個化學測試以分辨餘下的兩種可能性。指出試劑、條件以及兩者的預期觀察結果。
(3 分)

(iii) 在 $X$ 的質譜中，於 $m/z = 43$ 處觀察到一個顯著的峰。給出對應於此峰的離子物種的化學式。
(1 分)




(b) 色譜法被廣泛用於分離和鑑定混合物中的成分。

(i) 闡述薄層色譜法 (TLC) 的一般分離原理。
(2 分)

(ii) 某學生使用薄層色譜法（以矽膠板為固定相，乙酸乙酯和己烷的混合物為流動相）來分離阿司匹林和水楊酸。水楊酸的極性比阿司匹林強。

(1) 預測哪種化合物會有較大的 $R_f$ 值。從分子間作用力和對各相的親和力角度解釋你的答案。
(3 分)

(2) 若這兩種化合物均為無色，指出如何使薄層色譜板上的斑點顯現。
(1 分)




(c) 某品牌家用漂白水中次氯酸鈉 ($\text{NaClO}$) 的濃度可用碘量滴定法測定。

將 $10.0\text{ cm}^3$ 的漂白水樣本在容量瓶中用去離子水稀釋至 $250.0\text{ cm}^3$。取出 $25.0\text{ cm}^3$ 稀釋後的溶液放入錐形瓶中，並加入過量的碘化鉀溶液 ($\text{KI(aq)}$) 及稀硫酸 ($\text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)}$)。隨後用 $0.100\text{ M}$ 的硫代硫酸鈉溶液 ($\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\text{(aq)}$) 滴定釋放出的碘 ($\text{I}_2$)。

(i) 寫出在酸性介質中，次氯酸根離子 ($\text{ClO}^-$) 與碘離子 ($\text{I}^-$) 反應的離子方程式。
(1 分)

(ii) 寫出碘 ($\text{I}_2$) 與硫代硫酸根離子 ($\text{S}_2\text{O}_3^{2-}$) 反應的離子方程式。
(1 分)

(iii) 指出該滴定所用的指示劑，並描述終點時的顏色變化。
(2 分)

(iv) 滴定平均需要 $24.20\text{ cm}^3$ 的 $0.100\text{ M}$ $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\text{(aq)}$ 達到終點。計算原漂白水樣本中 $\text{NaClO}$ 的濃度，以 $\text{g dm}^{-3}$ 為單位。
(次氯酸鈉的摩爾質量 $= 74.5\text{ g mol}^{-1}$)
(4 分)